稀土荧光性质在热障涂层失效分析中的应用

热障涂层（TBCs）是沉积在基体表面、具有优良隔热效果的陶瓷涂层，在现代工业、国防和能源等方面都有广泛而重大的应用价值，其失效机理研究一直是该领域的重点和难点。目前涂层应力测量方法在探测深度、空间分辨率、精度和对涂层的损伤等方面存在明显不足。稀土元素具有其他元素无法比拟的光谱特性，其荧光性质受基质晶体场的影响，对应力很敏感，是优良的应力探针。采用高压荧光光谱分析不同压强下稀土离子的荧光性质变化，建立荧光峰位与应力之间的对应关系；通过对稀土离子在涂层中掺杂位置的控制来实现应力测量在空间和时间上的连续性；结合弹塑性力学和有限元数值模拟，研究涂层的失效机理，探索涂层服役寿命预测的新方法。该方法能直接反应涂层材料本身的应力状态，对涂层没无损伤，在应力探测深度和空间分辨率方面有显著优势，而且掺杂微量稀土荧光离子不影响涂层的性能。

热障涂层（TBCs）是沉积在基体表面、具有优良隔热效果的陶瓷涂层，在现代工业、国防和能源等方面都有广泛而重大的应用价值，其失效机理研究一直是该领域的重点和难点。涂层应力测量的常用方法有：（1）无损分析法：X-射线衍射（XRD），中子衍射（ND），Cr3+红宝石荧光光谱，同步辐射，拉曼光谱，曲率法；（2）有损分析法：层削法，钻孔法。这些方法都有各自的优点和适用范围，在探测深度、空间分辨率、精度和对涂层的损伤等方面存在明显不足。稀土元素具有其他元素无法比拟的光谱特性，其荧光性质受基质晶体场的影响，对应力很敏感，是优良的应力探针。.针对常用分析方法的不足，本项目开展了如下研究工作：（1）采用高压荧光光谱分析了不同压强下Eu3+离子的荧光性质变化，建立了荧光峰位与应力之间的对应关系，荧光峰位（E）与应力（σ）成正比：EP=E0+ασ；（2）通过对Eu3+离子在涂层中掺杂位置的控制来实现应力测量在空间和时间上的连续性；（3）结合弹塑性力学和有限元数值模拟，研究了涂层的失效机理，探索涂层服役寿命预测的新方法；（4）利用稀土离子Eu3+优良的荧光性质，对涂层的失效过程进行荧光标识，观察到了涂层的失效过程，发现涂层脱落起源于点状脱落然后扩展成面脱落。稀土荧光法能直接反应涂层材料本身的应力状态，对涂层无损伤，在应力探测深度和空间分辨率方面有显著优势，而且掺杂微量稀土荧光离子不影响涂层的性能。.项目执行期间获得的主要成果包括：（1）2013年吉林省科学技术奖（自然科学）一等奖，“热障涂层结构设计和失效机理研究”，其中有关稀土荧光性质的研究成果是创新点之一；（2）2012年GF科学技术进步二等奖，“高温热障涂层材料及其应用”，其中稀土荧光应用于某产品中热障涂层脱落模式的监测是创新点之一；（3）《热障涂层新材料和新结构》，ISBN 978-7-03-046077-6，830千字，2016.01第一版，科学出版社；（4）SCI论文28篇，其中4篇J Eur Ceram Soc和3篇Cor Sci；（5）培养博士生6名、硕士生2名。